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Mit Diamant zum Supermikroskop

Nr. 11 vom 1. Februar 2013

Stuttgarter Physiker weisen Kernspinsignale in wenige Nanometer kleinem Öltropfen nach

Ein neuer Sensor aus Diamant ist klein und empfindlich genug, um das Kernspin-Magnetfeld eines wenige Nanometer kleinen Volumens nachzuweisen. Das berichten Physiker der Universität Stuttgart mit Beteiligung der Ruhr-Universität Bochum (RUB) und weiterer Partner sowie des IBM-Forschungszentrums Almaden/USA zeitgleich in der neuesten Ausgabe des Wissenschaftsmagazins Science*). Dieser Durchbruch könnte zur Entwicklung eines Nano-Kernspintomographen führen, einem sehr mächtigen Mikroskop, das dreidimensionale Aufnahmen einzelner Moleküle ermöglicht. Ein solches Mikroskop würde nicht nur bisher unsichtbare Details sichtbar machen, sondern auch Einblicke in deren Eigenschaften wie etwa die chemische Zusammensetzung geben. In Biologie und Medizin wie auch in den Materialwissenschaften käme ein solches Instrument einer Revolution gleich.

Computervisualisierung des Experiments zur Kernspin-Detektion. Mit einem einzelnen Farbzentrum in Diamant (roter Punkt) lässt sich das Kernspin-Magnetfeld eines wenige Nanometer großen Volumens (farbiger Tropfen, obere Bildhälfte) nachweisen. (Abbildung: Universität Stuttgart)
Beide Gruppen verwendeten als Magnetfeldsensor eine Stickstoff-Leerstelle in Diamant, ein rot leuchtender Farbdefekt, wie er in großer Zahl in roten Schmuckdiamanten vorkommt. Die Implantation dieser Minisensoren in den Diamant erfolgte am RUBION, der Zentralen Einrichtung für Ionenstrahlen und Radionuklide der RUB. Durch geschickte Manipulation mit Mikrowellen und Laserlicht lässt sich aus dem Licht eines einzelnen solchen Farbzentrums das Magnetfeld seiner Umgebung auslesen. Ein sehr flaches Farbzentrum, das nur wenige Atomlagen unter der Diamantoberfläche liegt, kann somit das Magnetfeld von Molekülen auf der Oberfläche messen.
Genau dieser Schritt ist den Forschern jetzt gelungen: Sie haben mit dieser Technik das Magnetfeld der Atomkerne in Öl und Plastikbeschichtungen nachgewiesen, die sie auf die Diamantoberfläche aufgebracht hatten. Sie nutzten dabei die Tatsache, dass Atomkerne ein charakteristisches Magnetfeld erzeugen, das mit einer bestimmten Frequenz schwingt. Dieser Effekt wird unter anderem auch in klinischen Kernspintomographen genutzt, die durch das Aufnehmen einer Magnetfeldkarte die Verteilung von Wasserstoffkernen im menschlichen Körper sichtbar machen. Klinische Geräte können hierbei lediglich Details von einem Millimeter Größe auflösen. Die neue Methode kann dagegen Kernspinsignale in einem millionenfach kleineren Volumen von nur wenigen Nanometern Größe nachweisen. Dieses Volumen entspricht einem einzelnen biologischen Molekül, etwa einem Antikörper.
Die Detektion von Kernspinsignalen solch kleiner Mengen war bisher nur mit extrem aufwendigen Anlagen möglich, die in Vakuum und bei Temperaturen nahe des absoluten Nullpunkts arbeiten. Die jetzt veröffentlichte Technik funktioniert dagegen bei Raumtemperatur und besteht lediglich aus einem Kunstdiamanten in einem Mikroskop. Der Aufbau benötigt nicht einmal ein hohes Magnetfeld, ist technisch also sogar einfacher als klinische Tomographen.
Die nächste große Herausforderung besteht darin, diesen Sensor zur Aufnahme von dreidimensionalen Kernspin-Bildern einzusetzen. In beiden jetzt veröffentlichten Studien war das verwendete Farbzentrum fest in das Diamantgitter eingebaut. Das Magnetfeld der Beschichtung ließ sich damit zwar nachweisen, nicht aber abbilden. Das gemessene Signal entspricht gewissermaßen einem einzigen Pixel eines Kernspin-Bildes. Um ein komplettes Bild aufzunehmen, müsste beispielsweise ein Nano-Diamant mit einem einzelnen Farbzentrum als Sensor in ein Rastersondenmikroskop eingebaut werden. Alternativ könnten, wie in klinischen Tomographen, Magnetfeldgradienten das Bild im Signal der Kerne codieren. Beide Schritte scheinen machbar und lassen es realistisch erscheinen, in naher Zukunft dreidimensionale Bilder einzelner Moleküle aufzunehmen.
Dieses Ziel wird in zahlreichen Labors auf der ganzen Welt mit großem Aufwand verfolgt. Mit welchem Hochdruck das geschieht lässt sich auch daran ablesen, dass der jetzige Durchbruch zeitgleich in zwei Arbeitsgruppen gelungen ist. Das Rennen um den nächsten großen Schritt ist mit der jetzigen Veröffentlichung bereits eröffnet.
 
*) Originalpublikation:
Tobias Staudacher, Fazhan Shi, Sébastien Pezzagna, Jan Meijer, Jiangfeng Du, Carlos A. Meriles, Friedemann Reinhard, Jörg Wrachtrup: Nuclear magnetic resonance spectroscopy on a (5nm)3 sample volume, doi:10.1126/science.1231675
 
Weitere Informationen:
Dr. Friedemann Reinhard, Universität Stuttgart,3. Physikalisches Institut, , Tel. 0711/685-65228, E-Mail: f.reinhard (at) physik.uni-stuttgart.de
Andrea Mayer-Grenu, Universität Stuttgart, Abt. Hochschulkommunikation, Tel. 0711/685-82176, E-Mail: andrea.mayer-grenu (at) hkom.uni-stuttgart.de



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